自平衡樁基靜載試驗在工程中的應用

□ 杜 靜

樁基礎是一種最為常見的基礎形式，在高層建筑、公路、橋梁、水利及港口工程中應用極其廣泛。樁基礎屬于地下隱蔽工程，尤其是灌注樁，很容易出現夾泥、縮頸、斷樁或樁底沉渣過厚等問題，這些質量缺陷嚴重影響樁身的結構完整性和承載力，因此必須對基樁進行質量檢測[1]，以減少隱患，這也是保障地下結構安全穩(wěn)定的有效措施，對保證工程質量至關重要。傳統(tǒng)的基樁荷載試驗方法有堆載法和錨樁法，前者需要大量的堆載，后者需要設置錨樁及反力大梁，不僅耗時長、費用高，存在一定的危險性，而且對試驗場地要求高。甚至受到荷載噸位、交通運輸、場地條件等限制，許多樁基檢測試驗無法正常開展。

20世紀80年代，美國學者Osterberg提出了自平衡法，將荷載箱預埋在樁底，通過試樁自身的反力平衡，測試樁基的端阻力和樁側摩阻力[2]。20世紀90年代，清華大學教授李廣信首次將自平衡法引進國內[3]，隨后，龔維明團隊在國內開始自平衡法的實用性研究和應用，并制定了相應規(guī)程進行推廣[4]。目前，自平衡法已在全國20多個省市的多個工程中應用。

1 自平衡樁基靜載試驗原理

自平衡樁基靜載試驗是將一種特殊設計的加載設備—荷載箱，與鋼筋籠焊接在一起，埋入樁的指定位置，澆筑混凝土成樁，待混凝土強度達到設計強度后，由高壓油泵向荷載箱充油施壓，利用樁身自重、樁側阻力及樁端阻力相互提供反力的試驗方法[5-7]，試驗裝置原理如圖1所示。與傳統(tǒng)的堆載法和錨樁法相比，自平衡法樁基靜載試驗具有以下優(yōu)點：

圖1 自平衡法檢測示意圖

第一，試驗裝置簡單，運輸方便，試驗占地面積較小，無須堆載和大型反力架，安全省事。第二，節(jié)省時間，當土體穩(wěn)定或壓漿達到設計強度即可測試，幾根樁可同時測試，大大節(jié)省了試驗時間。第三，試驗后測試樁可作為工程樁使用。第四，試驗費用低，相比傳統(tǒng)方法可節(jié)省30%～60%成本。第五，應用范圍廣，可應用到水上試樁、坡地試樁、狹窄場地試樁、斜樁、嵌巖樁等復雜工況[8-9]。

除此之外，由于沿試樁樁身安裝了應力（變）計和位移測點，自平衡法靜載試驗還可得到樁側各土層的分層摩阻力和端阻力，不僅可以用于工程樁承載力檢測，也可為樁基優(yōu)化和設計提供依據。因此，自平衡法在樁基承載力測試中得到廣泛應用[10-12]，工程技術人員對其也進行了大量的研究。自平衡法因提供反力的方式與傳統(tǒng)靜載試驗不同，故而荷載傳遞規(guī)律與樁側摩阻力發(fā)揮不同于傳統(tǒng)靜載試樁，技術人員對此開展大量對比試驗，蔡雨等開發(fā)自平衡室內模型試驗裝置，實行上、下段樁加載分離，避免因加載點位置設置不當，導致某段樁無法測得極限承載力的問題[13]。陳雪峰對7個自平衡試樁項目30根自平衡試樁的平衡點位置進行統(tǒng)計分析，明確平衡點設置在樁身長度的1/5～1/3處（距樁端），能夠提高自平衡試樁的成功率[14]。徐長節(jié)等在試驗中發(fā)現自平衡法試樁的上部樁與靜載法試樁的樁身受力特性差別較大[15]，前者樁側摩阻力由下及上發(fā)揮，后者樁側摩阻力由上及下發(fā)揮。自平衡法試樁經轉換后的Q～s曲線較平滑，加載值兩種方法的Q～s曲線有一定差異，隨著加載值的增大，兩者的曲線趨于一致。

本文結合實際工程對自平衡樁基靜載試驗的工程應用進行探討，說明自平衡樁基靜載試驗的試驗原理和試驗過程，并結合具體的檢測試驗結果，對試驗樁的承載力進行評價，希望對自平衡樁基靜載試驗在實際工程應用中提供一定的參考[11]。

2 工程應用

2.1 工程概況

本工程位于南寧市，場地較平整，根據勘察單位提供的資料，土層自上而下分為素填土、細砂、強風化巖層和中風化巖層。

（1）素填土：黃褐色、灰褐色，結構松散，稍濕，主要由粉質黏土組成，表層含植物根系，揭示層厚2.10m～13.50m，層底高程79.03m～87.88m，屬高壓縮性土。

（2）細砂：灰色、黃色，濕～稍濕，松散狀，礦物成分為長石、云母、石英等，揭示層厚1.80m～10.80m，層底高程76.92m～81.96m，取擾動土試樣6組做顆粒篩分，粒徑大于0.075mm的顆粒質量平均占比為91.24%。

（3）強風化巖層（E3b）：青灰色、灰褐色，泥質結構，巖體較完整，呈硬塑土狀，層厚1m～10.80m，層底高程48.50m～84.48m。屬極軟巖，巖體完整程度為較破碎，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級。

（4）中風化砂質泥巖：紅褐色、青灰色，泥砂質結構，巖體較完整，未鉆穿該層。屬極軟巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質量等級分類為Ⅴ級。

2.2 試樁概況

按照《建筑樁基檢測技術規(guī)范》（JGJ 106—2014）[16]第3.3.4條，《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》（GJ/T 403—2017）[5]第3.1.1條，受檢基樁數量不應小于同一條件下基樁分項工程總樁數的1%，且不應小于3根，故本工程隨機抽取6根工程樁進行承載力檢測，樁號命名為SZ1～SZ6。根據《巖土工程勘察報告》中提供的各土層側摩阻力，計算出單樁豎向極限承載力，并結合超前鉆成果，確定SZ1、SZ3、SZ4三根試樁不做后注漿處理，以入持力層中風化砂質泥巖10m控制試樁樁長，SZ2、SZ5、SZ6三根試樁進行后注漿處理，并按此三根樁的側阻力的1.3倍計算出的單樁極限承載力大于等于13000kN控制樁長。按《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94—2008）第5.3.6條計算單樁豎向極限承載力標準值，并計算出各樁極限承載力及荷載箱安裝位置，試樁信息如表1所示。

表1 試樁信息表

2.3 試驗過程

試驗按《建筑基樁檢測技術規(guī)范》 和《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》進行，采用慢速維持荷載法逐級加載。每級加載值為預估試驗最大加載值的1/20，第一級按兩倍荷載加載，每級荷載達到穩(wěn)定后進行下一級加載，直至試樁破壞或達到試驗要求，然后分級卸載[6]。SZ1～SZ6的Q～s曲線分別如圖2—圖7所示。以不注漿的SZ1和注漿的SZ5為例進行說明，SZ1和SZ5樁預估試驗最大加載值分別為14800×2kN和13000×2kN，分20級進行加載，SZ1加載至13320×2kN時，上段位移增量為6.16mm，下段沉降量為18.11mm，比前一級荷載作用下位移分別增加9倍和35.5倍；SZ5加載至9750×2級荷載，較前一級荷載作用下位移分別增加1.1倍和11.6倍，根據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》JGJ/T 403—2017[2]第4.3.4條：“某級荷載作用下，荷載箱上段或下段位移增量大于前一級荷載作用下位移增量的5倍，且位移總量超過40mm”，終止加載。

圖2 SZ1試樁Q～s曲線圖

圖3 SZ2試樁Q～s曲線圖

圖4 SZ3試樁Q～s曲線圖

圖5 SZ4試樁Q～s曲線圖

圖6 SZ5試樁Q～s曲線圖

圖7 SZ6試樁Q～s曲線圖

2.4 結果分析

通過試樁Q～s曲線發(fā)現，SZ1、SZ3～SZ6試樁的荷載—位移變化曲線均為陡變型曲線，根據《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》，對于陡變型曲線，確定極限加載值時，取曲線發(fā)生明顯陡變的起始點對應的荷載值[2]。因此SZ1、SZ3～SZ6試樁的極限加載值分別為：12580kN、12160kN、12040kN、9100kN和9100kN。SZ2試樁本次試驗曲線屬于緩變型曲線，按照《建筑基樁自平衡靜載試驗技術規(guī)程》，緩變型曲線極限加載值可由位移量確定[2]，因此，SZ5試樁的極限加載值為9100kN。

2.5 數據處理及評價

根據各試樁的極限加載值，可按下式確定試樁的單樁豎向抗壓極限承載力[2]：

式中：Qu為單樁豎向承載力極限值，kN；Quu為上段樁的極限加載值，kN；Qud為下段樁的極限加載值，kN；W為荷載箱上段樁自重與附加重量之和，kN；γ1受檢樁的抗壓摩阻力轉換系數[2]。

通過計算可得到每根樁的單樁極限承載力，見表2，實測極限承載力較地勘測算的極限承載力均有增大，3根后注漿的試樁極限承載力增大明顯，均增加1.7倍以上。

表2 自平衡法靜載試驗承載力極限值

3 結語

（1）自平衡法省時省力，安裝簡單、不受場地限制，無須配重，可進一步推廣應用。

（2）在計算單樁豎向承載力極限值的公式中，抗壓摩阻力轉換系數只是通過工程實踐經驗獲得，缺乏理論計算，有待進一步探索。

（3）在測試中，6根試樁的Q～s曲線上、下段樁的位移變化有所不同，上段樁曲線變化平緩，位移較小，沒有出現突變；而下段樁位移較大，曲線出現突變，這說明測試中上、下段樁沒有同時達到極限承載力，荷載箱的安裝位置并不是樁的平衡點位置。

（4）后注漿試樁的承載力極限值較由地勘測算的極限值增大1.7倍以上，樁基施工工藝可采用后注漿處理方式，為保證注漿質量，主要可采用樁端樁側復式注漿，并注意漿液水灰比及注漿流量，注漿順序為先樁側后樁端。